CN101340417A - Ofdm***中改进型降低峰均比的迭代pts方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDM***中改进型降低峰均比的迭代PTS方法，技术方案是：在频率选择性衰落信道下的OFDM***模型，以降低传统算法的复杂度为出发点，在传统的部分传输序列方法PTS降低峰值平均功率比(PAPR)的基础上，提出一种改进型迭代PTS算法。其特征是包括下列步骤：将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列、各子块相加求最小PAPR、整合边带信息和选择具有最小PAPR的组合进行发送。该方法在无线衰落信道下保证无线通信***的可应用性并且不增加***复杂度的降低OFDM***的PAPR，能够实现***的适用性和***复杂度之间的均衡，并且无需另外发送边带信息，提高***可靠性和***的可用性。

Description

OFDM***中改进型降低峰均比的迭代PTS方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是指一种OFDM***中改进型降低峰均比的迭代PTS方法。可应用于OFDM***降低峰均比的设计。在下一代无线通信***的不断完善中，为现有OFDM无线通信***提供了一种基于传统的部分传输序列方法(PTS)降低峰值平均功率比(PAPR)进行改进的迭代PTS新方法以及可靠的通信支持。具有低复杂度、准确性等特点。

背景技术

随着人们对通信宽带化、个人化和移动化的需求越来越高，正交频分复用(OFDM)技术在各个无线通信领域得到了广泛的应用。OFDM***的一大缺点是有较高的峰值平均功率比，OFDM***的发送信号是多个子载波上的发送信号相叠加而成的，当这些信号以同相相位相加时，所得信号的瞬时功率很大，远远超出信号的平均功率，导致***产生较高的PAPR。高PAPR对发射机和接收机内的功率放大器的线性范围提出了很高的要求，并且增加了A/D、D/A转换器等设备的复杂度。如果放大器的线性范围不能满足信号的动态变化范围，则信号会产生非线性畸变，导致频谱泄漏，各子载波间的正交性遭到破坏，产生载波间干扰，降低***的性能。所以，峰值平均功率比问题是OFDM***需要解决的重要问题。

在无线OFDM***中，目前国内外降低PAPR的技术主要分为3类：信号预畸变类技术、编码类技术、信号扰码类技术。信号预畸变类技术的思想是直接对信号的峰值进行非线性操作，最直接，最简单。由于它采用的是非线性操作，产生了带内噪声和带外干扰，因此***的误码率比较高。编码类技术的思想是只发送那些具有较低PAPR特性的码字，从而避免了发送那些会出现较高PAPR的码字。该类技术为线性过程，不会使信号产生畸变，因此也没有限幅类技术的缺点。但是，编码类技术的计算复杂度非常高，编解码都非常麻烦，更重要的是，这类技术的信息速率降低得很快，因此只适用于子载波数比较少的情况。信号扰码类技术，它的核心思想是降低大PAPR出现的概率，采用的也是线性变换，但是该类技术复杂度比较高，需要进行多次IFFT运算和搜索过程。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种OFDM***中改进型降低峰均比的迭代PTS方法。提供一种在无线衰落信道下保证无线通信***的可应用性并且不增加***复杂度的降低OFDM***PAPR的方法，能够实现***的适用性和***复杂度之间的均衡，保证实际***的应用需求，并且无需另外发送边带信息，进一步提高***可靠性，提高***的可用性。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

一种OFDM***中改进型降低峰均比的迭代PTS方法，在频率选择性衰落信道下的OFDM***模型，在传统的部分传输序列方法降低峰值平均功率比的基础上，提出一种改进型迭代PTS算法，包括下列步骤：将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列、各子块相加求最小PAPR、整合边带信息和选择具有最小PAPR的组合进行发送；

将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列具体内容包括：在包含N个子载波OFDM***中，传输数据信息经过QAM等调制方式映射，数据流X_k进行N点IFFT变换后得到时域OFDM符号，首先将待发送的一帧OFDM数据向量用相邻分割的方法分为V个互不重叠的子向量，每个子向量的长度为N/V，接着对于分割后的每个子向量进行相应的补零成V个部分传输序列X^v，v＝1，2，...，V，然后将所得的V个部分传输序列分别进行IFFT变换；

各子块相加求最小PAPR具体内容包括：V个部分传输序列进行IFFT变换得到的时域信号为x^v，v＝1，2，...，V，令x＝x¹+x²+...+x^v计算此时原始信号的PAPR值，记为PAPR_initial，并令PAPR_PTS＝PAPR_initial，其中PAPR_PTS为设定的最小PAPR值，引入相位旋转因子组合

b_v也被称为边带信息(SI)，用相位旋转因子去加权V个子块向量，通过选择最优的相位旋转因子组合，使得合并后序列的PAPR值最小，相位因子集合选定范围为{±1，±i}，并初始化b_v＝1，v＝1，2，...V，初始化v＝1，经过循环遍历的方法，找出使PAPR最小的b_v值；

整合边带信息具体内容包括：在同一个OFDM符号中，采用零载波来发送为数不多的边带信息，数据和边带信息同时发送，无需另外单独发送边带信息，降低接收端的复杂度；

选择具有最小PAPR的组合进行发送具体内容包括：利用零子载波构造包含边信息的部分传输序列，多构造一位为解调所用，这里固定为1，边信息所处的位置是X中零载波的位置，其构造形式为：P＝[0，0，...，0，1，b₁，b₂，...，b_V，0，0，...0]，对所构造的边信息频域信号P进行IFFT变换，得到时域信号p，在上面得到的PAPR最小的时域信号x的情况下，计算x±p，x±p*i四种情况下信号的PAPR值，选择具有最小PAPR的组合进行发送。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1.改进型迭代PTS算法是基于传统的部分传输序列方法上进行改进的，它对OFDM符号进行的是线性变换，并且没有带来任何的带内畸变和带外辐射。

2.该发明明显的降低了***的复杂度，传统的PTS方法在经过IFFT之后的相位组合方式有W^V种，而采用该迭代方法之后仅需要(V-1)·W次搜索过程，因此该迭代算法远小于遍历搜索时的***复杂度(一般V≥W)。在迭代过程中各部分传输序列需要不断地叠加以求PAPR值，若采用每迭代一次都需要各子序列叠加的方法，那么总的加法次数为(V-1)·(V-1)·W·N，但若采用先将各子块叠加好，每次迭代搜索过程只对相应变换的部分传输序列部分进行加减，则计算量就会降低，这样所需要的加法次数变为(V-1)·(W+1)·N，进一步降低了***的复杂度。

3.无需另外发送边带信息，采用零载波来发送为数不多的边带信息，使得数据和边带信息在同一个OFDM符号中发送，减小了接收端的复杂度。

附图说明

图1是本发明OFDM***适用的收发框图。

图2是本发明实施部分传输序列方法的原理图。

图3是本发明实施部分传输序列方法在不同子块数情况下的仿真图。

图4是本发明实施部分传输序列方法在不同相位数情况下的仿真图。

图5是本发明实施改进型迭代PTS方法的CCDF曲线。

图6是本发明实施改进型迭代PTS方法的BER曲线。

具体实施方式

针对下一代无线通信***对传输高质量信息准确性的要求，针对现有OFDM无线通信***中存在的问题和挑战，在频率选择性衰落信道下的OFDM***模型，以降低传统算法的复杂度为出发点，在传统的部分传输序列方法(PTS)降低峰值平均功率比(PAPR)的基础上，提出一种改进型迭代PTS算法。其特征是包括下列步骤：将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列、各子块相加求最小PAPR、整合边带信息和选择具有最小PAPR的组合进行发送。

所述的将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列具体内容包括：在包含N个子载波OFDM***中，传输数据信息经过QAM等调制方式映射，数据流X_k进行N点IFFT变换后得到时域OFDM符号，首先将待发送的一帧OFDM数据向量用相邻分割的方法分为V个互不重叠的子向量，每个子向量的长度为N/V，接着对于分割后的每个子向量进行相应的补零成V个部分传输序列X^v，v＝1，2，...，V，然后将所得的V个部分传输序列分别进行IFFT变换。

所述的各子块相加求最小PAPR具体内容包括：V个部分传输序列进行IFFT变换得到的时域信号为x^v，v＝1，2，...，V，令x＝x¹+x²+...+x^v计算此时原始信号的PAPR值，记为PAPR_initial，并令PAPR_PTS＝PAPR_initial，其中PAPR_PTS为设定的最小PAPR值。引入相位旋转因子组合

b_v也被称为边带信息(SI)，用相位旋转因子去加权V个子块向量，通过选择最优的相位旋转因子组合

使得合并后序列的PAPR值最小。

相位因子集合选定范围为{±1，±i}，并初始化b_v＝1，v＝1，2，...V。初始化v＝1。经过循环遍历的方法，找出使PAPR最小的b_v值。

所述的整合边带信息具体内容包括：在同一个OFDM符号中，采用零载波来发送为数不多的边带信息，数据和边带信息同时发送，无需另外单独发送边带信息，降低接收端的复杂度。

所述的选择具有最小PAPR的组合进行发送具体内容包括：利用零子载波构造包含边信息的部分传输序列，多构造一位为解调所用，这里固定为1，边信息所处的位置是X中零载波的位置。其构造形式为：P＝[0，0，...，0，1，b₁，b₂，...，b_V，0，0，...0]。对所构造的边信息频域信号P进行IFFT变换，得到时域信号p。在上面得到的PAPR最小的时域信号x的情况下，计算x±p，x±p*i四种情况下信号的PAPR值，选择具有最小PAPR的组合进行发送。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本发明方法由将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列、各子块相加求最小PAPR、整合边带信息和选择具有最小PAPR的组合进行发送四个步骤组成。

1、将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列步骤

首先建立OFDM***的物理层基本框图。图1给出了OFDM***的收发框图，该专利应用于此***中。在发送端进行数据的成帧过程，由前导信息和数据信息构成，然后进行QAM的调制、IFFT变换、***循环前缀后，进行并串变换，通过对生成的OFDM时域数据流信号转换为中频信号，发送出去。在接收端，首先就是要进行同步和信道估计的工作，进行FFT变换后根据估计的参数，解调出QAM符号，估计出误码率。

传统的部分传输序列方法(PTS)的原理框图如图2所示，该发明是在此原理图的基础上提出新方法。图2给出了部分传输序列方法的原理图，可见它是将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列(又称为子块)，并分别给每个子序列乘以不同的加权系数，通过选择适当的加权系数来求具有最小PAPR值的组合序列。

假定OFDM***中包含N个子载波，传输数据信息经过QAM等调制方式映射，数据流X_k进行N点IFFT变换后得到时域OFDM符号，发射信号可以表示为：

$s\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k{e}^{j2\mathrm{\πkn}/N},0\≤n\≤N-1---\left(1\right)$

其中，X_k是经过星座调制后的复数信号，N为IFFT变换的点数。

部分传输序列方法首先将待发送的一帧OFDM数据向量用相邻分割的方法分为V个互不重叠的子向量X_v，v＝1，2，...，V，每个子向量的长度为N/V，则：

$X=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{X}_v---\left(2\right)$

分割形式如下：

......

然后将所得的V个部分传输序列分别进行IFFT变换。

2、各子块相加求最小PAPR步骤

引入相位旋转因子组合

b_v也被称为边带信息(SI)，用相位旋转因子去加权V个子块向量，可得：

$Y=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v{X}^v---\left(6\right)$

1)、将所得的V个部分传输序列X^v，v＝1，2，...，V分别进行IFFT变换，得到时域信号x^v，v＝1，2，...，V。令x＝x¹+x²+...+x^v计算此时原始信号的PAPR值，记为PAPR_initial，并令PAPR_PTS＝PAPR_initial。

2)、相位因子集合选定范围为{±1，±i}，并初始化b_v＝1，v＝1，2，...V。初始化v＝1。

3)、改变b_v的值，令b_v＝-1，且x＝b₁X¹+b₂X²+…+b_VX^V，计算此时信号的PAPR值PAPR_TEMP。若PAPR_TEMP＜PAPR_PTS，则PAPR_PTS＝PAPR_TEMP，并保留此时的b_v值。

4)、继续改变b_v的值为±i，步骤同3)，保留使PAPR_PTS最小的b_v值，并在后续算法处理过程中保持不变。

5)、若v＜V，则令v＝v+1，跳到步骤3)，直到遍历完所有的b_v，v＝1，2，...，V，结束循环。

图3是传统PTS方法在部分传输序列数目V＝1、2、4、8情况下峰均比的互补累积概率分布函数(CCDF)曲线图，图4是不同相位选择范围情况下峰均比的CCDF曲线图。由图可以看出随着部分传输序列数目和相位选择范围的增大，峰均比的改善特性就越好，但是所需计算的IFFT的次数也就增加，PTS-OFDM***的复杂度也就越高。

3、整合边带信息步骤

在同一个OFDM符号中，采用零载波来发送为数不多的边带信息，数据和边带信息同时发送，无需另外单独发送边带信息，降低接收端的复杂度。

4、选择具有最小PAPR的组合进行发送

利用零子载波构造包含边信息的部分传输序列，多构造一位为后面解调时用，这里固定为1，边信息所处的位置是X中零载波的位置。其构造形式为：P＝[0，0，...，0，1，b₁，b₂，...，b_V，0，0，...0]。对所构造的边信息频域信号P进行IFFT变换，得到时域信号p。在上面得到的PAPR最小的时域信号x的情况下，计算x±p，x±p*i四种情况下信号的PAPR值，选择具有最小PAPR的组合进行发送。

要发送的序列主要包括以下几个部分：X^v，v＝1，2，...，V以及由边带信息组成的子序列P，其中原始待发送的消息为：X＝X¹+X²+…+X^V。经该方法后需要的发送信息变为：X_PTS＝b₁X^V+b₂X^V+…+b_VX^V+P。

P中固定信息1的作用是用来判断边带信息的相位旋转。在接收端进行解调时，先进行FFT变换，然后取出边带信息，判断边带信息后再对数据信息进行处理，解决了边带信息发送的问题。

图5是传统PTS算法和改进型迭代PTS算法的CCDF曲线，图6是不含边信息的迭代PTS算法(即边信息100％无误传输)和改进型迭代PTS算法的BER曲线。由图可以看出该方法在降低算法复杂度的同时保证了***的可靠性。

本发明在频率选择性衰落信道下的OFDM***模型中，以降低传统算法的复杂度为出发点，在传统的信号扰码类技术中的部分传输序列方法(PTS)降低峰值平均功率比(PAPR)的基础上，提出一种改进型迭代PTS算法，大大降低了***的复杂度并无需另外发送边带信息。

Claims (1)

1、一种OFDM***中改进型降低峰均比的迭代PTS方法，其特征在于：在频率选择性衰落信道下的OFDM***模型，在传统的部分传输序列方法降低峰值平均功率比的基础上，提出一种改进型迭代PTS算法，包括下列步骤：将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列、各子块相加求最小PAPR、整合边带信息和选择具有最小PAPR的组合进行发送；

将输入的一帧OFDM符号分割成V个互不重叠的子序列具体内容包括：在包含N个子载波OFDM***中，传输数据信息经过QAM等调制方式映射，数据流X_k进行N点IFFT变换后得到时域OFDM符号，首先将待发送的一帧OFDM数据向量用相邻分割的方法分为V个互小重叠的子向量，每个子向量的长度为N/V，接着对于分割后的每个子向量进行相应的补零成V个部分传输序列X^v，v＝1，2，...，V，然后将所得的V个部分传输序列分别进行IFFT变换；

各子块相加求最小PAPR具体内容包括：V个部分传输序列进行IFFT变换得到的时域信号为x^v，v＝1，2，...，令x＝x¹+x²+...+x^v计算此时原始信号的PAPR值，记为PAPR_initial，并令PAPR_PTS＝PAPR_initial，其中PAPR_PTS为设定的最小PAPR值，引入相位旋转因子组合b_v也被称为边带信息(SI)，用相位旋转因子去加权V个子块向量，通过选择最优的相位旋转因子组合，使得合并后序列的PAPR值最小，相位因子集合选定范围为{±1，±i}，并初始化b_v＝1，v＝1，2，...V，初始化v＝1，经过循环遍历的方法，找出使PAPR最小的b_v值；

整合边带信息具体内容包括：在同一个OFDM符号中，采用零载波来发送为数不多的边带信息，数据和边带信息同时发送，无需另外单独发送边带信息，降低接收端的复杂度；

选择具有最小PAPR的组合进行发送具体内容包括：利用零子载波构造包含边信息的部分传输序列，多构造一位为解调所用，这里固定为1，边信息所处的位置是X中零载波的位置，其构造形式为：P＝[0，0，...，0，1，b₁，b₂，...，b_V，0，0，...0]，对所构造的边信息频域信号P进行IFFT变换，得到时域信号p，在上面得到的PAPR最小的时域信号x的情况下，计算x±p，x±p*i四种情况下信号的PAPR值，选择具有最小PAPR的组合进行发送。

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